加载GDT表，进入保护模式

加载GDT表，实现操作系统从实模式进入保护模式

参考
操作系统学习 — 启动操作系统：进入保护模式
保护模式与实模式
GDT、GDTR、LDT、LDTR
调用门与特权级
趣谈 Linux 操作系统

在01.硬盘启动盘，加载操作系统中BIOS在0x7c00处加载MBR，并让程序跳转到该处。MBR只是一个中转站，其他功能如加载GDT表、切换保护模式，需要loader完成。

1.实模式

概念：
在程序中用到的地址都是真实的物理地址，“段基址:段内偏移地址”产生的逻辑地址就是物理地址，即程序员可见的地址完全是真实的内存地址。
物理地址（physicaladdress）=段值（segment） * 16 + 偏移（offset）

缺点:

• 没有权限划分，实模式下操作系统和用户程序属于同一特权级
• 程序中用到的地址都是真实的物理地址,逻辑地址等于物理地址
• 访问超过 64KB 的内存区域时要切换段基址，16位寄存器，2^16 = 64KB
• 共 20 条地址线，最大可用内存为 1MB
• 平坦模型，无法支持多任务，安全性无法保证

2.保护模式

概念：
保护模式下，全部32条地址线有效，可寻址高达4G字节的物理地址空间。保护模式下，地址表示方式：段（segment）:偏移（offset），虽然段值仍然由原来的cs、ds等寄存器表示，但此时它仅仅变成了一个索引，这个索引指向了一个数据结构的一个表项（段描述符），表项中详细定义了段的起始地址、界限、属性等内容。这个数据结构就是全局描述符表GDT（LDT是局部的）。

在实模式下，段地址并非真实的物理地址，在计算物理地址时，还要左移 4 位（乘以 16）。和实模式不同，在 32 位保护模式下，段地址是 32 位的线性地址，如果未开启分页功能，该线性地址就是物理地址。

• 段基址：指定了这个段的起始地址，它是一个32位的值，用于计算线性地址。
• 段界限：段界限符 = 该段的大小。
• G位：G表示段界限粒度大小，假如 G = 1，粒度 = 4kb(最大段界限 = $$2^{20}\ast 4KB=2^{32}$$)，G = 0，粒度 = 1字节($$2^{20}\ast 1=2^{20}$$)。超过段界限，就会触发内存段保护。
• 段类型：需要看两个字段：type和S位。
• S位：S位的作用在于，指示这个段是不是系统段。只有知道了S位，type段才有意义。系统段就是说，这个段由硬件CPU运行，非系统段是由软件（OS/用户）运行。
  • S = 1 代码段或数据段的描述符
    
  • S= 0 系统段的描述符
    

3.分段机制

段描述符表

每个段都需要一个段描述符。这些描述符存储在内存的一段空间中，即全局描述符表GDT(或LDT)。
GDT与LDT的区别：

• 范围不同：GDT 是全局段描述符表，包含系统中所有进程所需的所有段描述符，而 LDT 是局部段描述符表，只有在需要更多段描述符时才使用。
• 使用限制不同：每个进程只能使用一个 GDT，但可以同时使用多个 LDT。
• 加载方式不同：GDT 的基地址和限长保存在 GDTR 寄存器中，由 CPU 加载，而 LDT 的基地址和限长保存在相应进程的 LDTR寄存器中，由操作系统加载，与进程的虚拟地址空间独立。
• 访问速度不同：由于 GDT 存储所有段描述符，因此访问 GDT 通常比访问 LDT 更快。

描述符表的长度可变，最多可以包含8K个这样的描述符（因为段选择子是16位的，其中的13bit用来作index，2^13=8K）。

段选择器

实模式下的 6 个段寄存器 CS、 DS、 ES、 FS、 GS 和 SS，在保护模式下叫做段选择器。
其结构如下图所示

• 第0-1位：请求特权级（Requestor Privilege Level, RPL），用于表示当前代码的特权级别。RPL可以取值0、1、2、3，其中0表示最高特权级，3表示最低特权级。
• 第2位：表指示器（TableIndicator, TI），用于指示该段描述符存储在全局描述符表（GDT）还是局部描述符表（LDT）中。TI的值为0表示描述符存储在GDT 中，为1表示描述符存储在 LDT 中。
• 第3-15位：索引（Index），用于标识段描述符在 GDT 或 LDT中的位置，索引的值必须是 8 的倍数。

段选择子的结构可以通过一个 16 位的寄存器来存储和传递，如 CS（代码段选择子）、DS（数据段选择子）和 SS（堆栈段选择子）等。当 CPU 访问某个段时，它会根据段选择子来确定所需的段描述符的位置，并加载该段描述符以获取相应的段基址、权限和限长等信息，从而实现对这个段的正确访问。

GDT表可以很大，存放在内存中，由 GDTR寄存器 存储它的地址。同理，LDT存储在LDTR中。其中：

• GDTR全局描述符寄存器：48位，高32位存放GDT基址，低16为存放GDT限长。
  
  • 通过 lgdt xxxx 将xxxx存储到 GDTR 寄存器，xxxx包含GDT内存起始地址和GDT界限。
  • 通过 sgdt xxxx获得当前 GDTR 寄存器的内容存储到 xxxx 当中。
• LDTR局部描述符寄存器：16位，高13为存放LDT在GET中的索引值。

以此构建GDT表：

[SECTION .gdt]
DATA_SEG_BASE equ (0x1000)
DATA_SEG_LIMIT equ 0xfffffCODE_SEG_BASE equ (0x0)
CODE_SEG_LIMIT equ 0xfffff
; 索引<<3位 = 地址相减  。2^3 = 8字节
CODE_SELECTOR equ (gdt_code - gdt_base) ; 代码段选择子
DATA_SELECTOR equ (gdt_data - gdt_base) ; 数据段选择子gdt_base:dd 0, 0
gdt_code:dw CODE_SEG_LIMIT & 0xffff ; 段界限dw CODE_SEG_BASE & 0xffff ;db CODE_SEG_BASE >> 16 & 0xff;    P_DPL_S_TYPE; 其中1表示有效，00表示特权级0，1表示的代码段，1000表示代码段不可读写,可执行db 0b1_00_1_1000;    G_DB_AVL_LIMIT; 其中0表示段界限以字节为单，1表示此段是32位的，后四位表示段界限高4位。db 0b0_1_00_0000 | (CODE_SEG_LIMIT >> 16 & 0xf)db CODE_SEG_BASE >> 24 & 0xf
gdt_data:dw DATA_SEG_LIMIT & 0xffffdw DATA_SEG_BASE & 0xffffdb DATA_SEG_BASE >> 16 & 0xff;    P_DPL_S_TYPE; ，其中1表示段描述符有效，00表示特权级0，1表示数据段，0010表示数据段可读写。db 0b1_00_1_0010;    G_DB_AVL_LIMIT;   其中1表示段界限以4KB作为单位，1表示此段是32位的，后四位表示段界限高4位。db 0b1_1_00_0000 | (DATA_SEG_LIMIT >> 16 & 0xf)db DATA_SEG_BASE >> 24 & 0xfgdt_ptr:dw $ - gdt_base - 1dd gdt_base

寻址流程

寻址流程图下图所示：

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择子和段内偏移量。段选择子保存段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间。如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

• 1.根据段选择子在段描述表中找到对应的段描述符号。
• 2.根据段描述符获取段基址、段界限、特权等级等。
• 3.根据段基地址和段内偏移量得到物理地址。

根据GDT寻址

当 TI=0时表示段描述符在GDT中

① 先从GDTR寄存器中获得GDT基址。
② 然后再GDT中以段选择符高13位位置索引值得到段描述符。
③ 段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址(程序给出)才得到最后的线性地址。

根据LDT寻址

当TI=1时表示段描述符在LDT中

① 还是先从GDTR寄存器中获得GDT基址。
② 从LDTR寄存器中获取LDT所在段的位置索引(LDTR高13位)。
③ 以这个位置索引在GDT中得到LDT段描述符从而得到LDT段基址。
④ 用段选择符高13位位置索引值从LDT段中得到段描述符。根据位置索引在GDT中得到LDT段描述符从而得到LDT段基址。
⑤ 段描述符符包含段的基址、限长、优先级等各种属性，这就得到了段的起始地址（基址），再以基址加上偏移地址(程序给出)才得到最后的线性地址。

4.进入保护模式流程

进入保护模式的代码却是千奇百怪的，形式可不统一。比如进入保护模式需要三个步骤。

• 打开 A20
• 加载 gdt
• 将 cr0 的 pe 位置 1

打开 A20

打开A20，避免地址回绕

打开方式：

• 通过键盘控制器
• 调用BIOS功能
• 使用系统端口

    in    al,  92hor    al,  00000010bout   92h, al

加载 gdt

GDT 有两个相关的指令：

• lgdt xxxx：xxxx有6字节，前2字节是一个gdt界限，后4字节是gdt起始地址。将 xxxx 存储到 gdtr
• sgdt xxxx：获得gdtr的值，存储到 xxxx
  进入保护模式一定需要加载gdt，首先在loader建立一个GDT，然后将 GDT 的地址、界限存储到 GDTR 寄存器当中。

lgdt [gdt_ptr]

将 cr0 的 pe 位置 1

CR0 寄存器的第0位是 pe位，Protection Enable，用来启动保护模式，是保护模式的开关。所以这一步一般都是最后一步。

PE 为 0 表示在实模式下运行，PE 为 1 表示在保护模式下运行。

   mov eax, cr0or eax, 0x00000001mov cr0, eax

5.验证

进入保护模式流程图：

验证方法：

protected_mode:; 设置段寄存器mov ax, DATA_SELECTOR      ; 设置数据段选择子为DATA_SELECTORmov ds, ax        ; 将数据段寄存器设置为DATA_SELECTOR; 转换为逻辑地址：ds:0xB7000; ds 绑定数据段，基地址为0x1000, 对应的线性地址(物理地址)0xB7000+0x1000 = 0xB8000; 0xB8000对应显存的物理地址，若能超过写入字符; 说明CPU 能够正确地处理地址映射，并且成功进入了保护模式mov byte [0xB7000], 'A'; 测试是否成功进入保护模式.如果没有,写入内存是失败的; 同理逻辑地址为: ds:0x100000; 对应的线性地址(物理地址) 0x101000xchg bx, bxmov byte [0x100000], 0xABjmp $

当前未开启分页，线性地址=物理地址。